Đề tài Khai thác phần mềm PSIM - Mô phỏng mạch điện tử công suất

LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, mô hình hóa trở thành phương pháp rất hiệu quả trong nghiên cứu khoa học, trong thực tế sản xuất cũng như trong phục vụ giảng dạy và học tập. Trên thị trường thế giới cũng đã xuất hiện rất nhiều phần mềm Thiết kế - Mô phỏng mạch điện tử công suất. Có thể kể ra các phần mềm như : PSPICE, TINA, MATLAB, SIMSEN, SUCCES, PSIM… Các phần mềm này chính là công cụ để giúp các kỹ sư, các nhà sản xuất tối ưu hóa công việc của mình, từ đó tạo ra những sản phẩm điện tử chính xác, đáng tin cậy và giá thành thấp. Ở nhiều trường Đại Học và Cao Đẳng việc mô phỏng mạch điện tử còn nhiều khó khăn vì thiếu về trang thiết bị thực hành. Nhiều thiết bị mô phỏng cũ, số lượng module ít nên không đáp ứng được hết các nhu cầu về giảng dạy và học tập. Để đáp ứng về nhu cầu thực tiễn đặt ra chúng em lựa chọn đề tài tốt nghiệp “Khai thác phần mềm PSIM - mô phỏng mạch điện tử công suất”. Với những mục tiêu sau: Giới thiệu về phần mềm và ứng dụng của phần mềm PSIM Giúp sinh viên sử dụng phần mềm này để hiểu rõ hơn lý thuyết đã học. Phục vụ cho mục đích nghiên cứu, học tập để nâng cao trình độ của bản thân. Đồ án được trình bày thành 5 chương: Chương 1: Tổng quan về một số phần mềm mô phỏng mạch điện tử công suất. Chương 2: Giới thiệu về phần mềm PSIM. Chương 3: Tổng quan về lò điện và lò điện trở. Chương 4: Thiết kế mạch lực và mạch điều khiển lò điện trở. Chương 5: Kết luận và đề xuất. Trong quá trình làm đồ án, với sự tìm tòi và nghiên cứu của bản thân, đặc biệt là sự giúp đỡ rất nhiệt tình của cô giáo Nguyễn Thị Điệp chúng em đã hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu còn hạn chế, nên đồ án này của chúng em không tránh khỏi những thiếu xót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đồ án của chúng em hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Chương 1 Tổng quan về một số phần mềm mô phỏng mạch điện tử 1.1. Matlab/Simulink Đây là phần mềm được phổ cập ở mức độ toàn cầu. Hiện nay ở nước ta, Matlab cũng khá quen thuộc trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa. Tuy nhiên từ phiên bản 5.3 của matlab mới cho phép thâm nhập vào lĩnh vực điển tử công suất (power electronic). Đây là phần mềm bổ sung của mục “power system blockset” nằm trong phần simulink. Trong đó đưa ra mô hình các phần tử bán dẫn là: tiristo, diot, GTO, MOSFET và ideal switch. Tất cả các phần tử này đều được mô phỏng như một mạch gồm điện trở mắc nối tiếp điện cảm khi ở trạng thái dẫn dòng điện, còn khi không dẫn dòng thì tương ứng đứt mạch (tổng trở bằng vô hạn), ngoài ra luôn có mạch RC đấu song song. Bằng cách ghép từng hình theo một sơ đồ cụ thể nào đó, có thể thiết lập một thư viện các mạch điển tử công suất theo ý muốn (thí dụ như mạch chỉnh lưu cầu hoặc mạch băm xung,…) Phần mềm mô phỏng bằng Simulink rất thuận lợi khi cần phân tích và khảo sát ở khía cạnh hệ thống, nhất là với hệ thống kín, ở đó mạch điện tử công suất chỉ lầ một khối của hệ thống. Trong simulink, các van được mô phỏng hoặc như một khoá lý tưởng, hoặc như một điện trở hai trạng thái. Như vậy, phần tử bán dẫn mô phỏng không phản ánh chính xác đặc tính Vôn-ampe của chúng nữa song điều đó không ảnh hưởng đến bản chất của hệ thống được nghiên cứu, mặt khác lại giảm được đáng kể thời gian tính máy. Lưu ý rằng trong simulink, các xung điều khiển cho các van là tín hiệu mức logic 0/1, không phải là điện áp điều khiển hay dòng điều khiển cho van nên không cần chú ý về phương diện cách ly giữa lực và điều khiển. 1.2. Phần mềm TINA (Toolkit for Interative Netword Analysis) Đây là phần mềm chuyên dụng cho phân tích mạch điện, mạch điện tử dạng tương tự và xung số mạch điện tử công suất do hãng designsoft đưa ra thị trường. TINA có thanh công cụ đặc trưng là các phần tử mô phỏng mạch, được chia làm 8 chức năng chính : phần tử cơ bản (basic components), đo lường (meters), nhóm nguồn (sources), linh kiện bán dẫn (semiconductors), mạch cổng (gate), mạch lật flip-flop (flip-flop), mạch logic (logic IC).. Đối với mạch phân tích điện tử công suất thì hay dùng nhất 4 nhóm đầu, trong đó đặc trưng chính thể hiện ở nhóm nguồn và nhóm cá phần tử bán dẫn. Nhưng nhóm quan trọng hơn cả là mô hình các linh kiện bán dẫn:diot, transitors, tiristo, triac, diac. Điểm khác biệt của các mô phỏng trong TINA so với mô hình cùng loại trong MATLAB là chúng được xây dựng theo bản chất hoạt động vật lý bán dẫn thể hiện bằng các phương trình với nhiều tham số đặc trưng, do đó mô hình mô phỏng rất sát đặc tính Vôn-ampe thực của chủng loại đó. Vì vậy để đưa vào mạch một bóng bán dẫn cụ thể cần phải biết khá nhiều tham số của nó, điều này không phải lúc nào cũng biết được. Để dễ dàng cho người sử dụng, thư viện của TINA có sẵn hàng trăm loại bóng thông dụng trên thị trường với các tham số chuẩn do nhà chế tạo cung cấp. 1.3. Phần mềm PSPICE (Power Simulation Program with Intergrated Circuit Emphases) PSPICE là phần mềm mô phỏng mạch điện -điện tử trường đại học tổng hợp California ở Berkeley sáng tạo ra. Hiện nay PSPICE được xem là một trong những phần mềm mô phỏng mạch điện-điện tử mạnh và phổ biến trên thế giới. Có thể nói rằng trong lĩnh vực mô phỏng mạch điện tử PSPICE cũng thông dụng như MATLAB trong mô phỏng hệ thống tự động. Phần mềm này cho phép người dùng thiết lập mô hình phần tử của mình theo định hướng nghiên cứu riêng, mở ra khả năng rộng lớn cho các chuyên gia trong lĩnh vực điện tử công suất. Đây là sản phẩm mới nhất, nhằm tổng hợp các giai đoạn thiết kế chế tạo mạch điện tử: xây dựng mạch nguyên lý, mô phỏng, chuyển mạch nguyên lý mạch sang mạch in, đổ sang máy làm mạch in... Thư viện của PSPICE rất lớn, lên đến hàng chục nghìn linh kiện điện tử, bóng bán dẫn, vi mạch IC của rất nhiều hãng trên thế giới, vì vậy rất thuận lợi khi thiết kế hay khảo sát mạch sử dụng các linh kiện có sẵn trong thư viện và xây dựng các mô hình riêng, tự thiết lập thư viện riêng phục vụ mục đích của mình. Giống như TINA, trong PSPICE có sẵn rất nhiều loại nguồn điện để người khảo sát sử dụng (nguồn điện áp, dòng điện một chiều, nguồn điện hình sin, dạng sóng theo hàm mũ, nguồn tín hiệu điều chế tần số) và 4 nguồn phụ thuộc cơ bản. Ngoài ra còn có công tắc điện tử được điều khiển bằng điện áp hoặc bằng dòng điện. Các phân tích chính là đặc tính truyền đạt, đặc tính tần số, điểm làm việc một chiều, đặc tính động. Trong mô phỏng mạch điện tử công suất quan trọng nhất là phân tích động (transient analysis). Trong PSPICE chế độ phân tích này thường tốn thời gian tính của PC, khi mạch phức tạp hoặc thời gian khảo sát lớn, dung lượng của file dữ liệu này có thể lên đến hàng trăm MB. Vì vậy khi chương trình đang chạy ta có thể tạm dừng chương trình để theo dõi và kiểm tra sơ bộ nếu thấy không đạt thì ngắt hẳn chương trình để sửa đổi.. 1.4. Phần mềm PSIM (Power electronics simulation software) PSIM là phần mềm mạch do hãng LAB-VOLT (Hoa Kỳ) - Một trong các nhà sản xuất các thiết bị dạy học nổi tiếng viết và đưa ra thị trường. Đây là phần mềm không chỉ mạnh trong học tập, giảng dạy mà còn là tài liệu cơ bản cho các kỹ sư khi nghiên cứu, phân tích, khai thác mạch điện tử công suất, các mạch điều khiển tương tự và số, cũng như trong hệ truyền động xoay chiều (AC), một chiều (DC). PSIM chạy trong môi trường Microsoft Windows 98/NT/2000/XP với yêu cầu bộ nhớ RAM tối thiểu là 32 MB. Chương trình thiết kế mạch của PSIM là một chương trình có tính tương tác cao giữa giao diện của các thư mục và phần mềm soạn thảo mạch điện với người sử dụng. Các phần tử của mạch được chứa trong menu Elements. Các phần tử được chia thành bốn nhóm là: Phần tử mạch công suất (Power), phần tử mạch điều khiển (Control), phần tử nguồn (Sources) và các phần tử khác (Others). Thư viện trong PSIM bao gồm hai phần: Thư viện hình ảnh (PSIMimage.lib) và thư viện danh sách (PSIMLIB). Thư viện danh sách không thể sửa đổi được, nhưng thư viện hình ảnh có thể sửa đổi hoặc tạo lập một thư viện hình ảnh riêng cho người sử dụng. Nhìn chung, PSIM được đánh giá là một phần mềm dễ sử dụng, trực quan, dung lượng nhẹ và khá mạnh trong lĩnh vực Điện tử công suất. PSIM có ưu điểm mô phỏng độc lập mạch lực vì các khối điều khiển đã được xây dựng sẵn, ta chỉ việc lắp ghép. Vì vậy, chúng em lựa chọn đề tài đồ án là: Khai thác phần mềm PSIM mô phỏng mạch điện tử công suất. Chương 2 Giới thiệu về phần mềm PSIM 2.1. Giới thiệu về phần mềm PSIM 2.1.1. Khái niệm chung PSIM bao gồm 3 chương trình: PSIM schematic PSIM simulator SIMVIEW Hình 2.1. Quá trình mô phỏng trên PSIM PSIM Schematic: chương trình thiết kế mạch PSIM Simulator : chương trình mô phỏng. PSIM VIEW : chương trình hiển thị đồ thị sau khi mô phỏng . PSIM biểu diễn một mạch điện trên 4 khối: Power circuit Switch controllers Sensors Control circuit Hình 2.2. Biểu diễn một mạch điện trên PSIM Power circuit: mạch động lực. Control circuit: mạch điều khiển. Sensors: hệ cảm biến. Switch controllers: bộ điều khiển chuyển mạch. Mạch động lực bao gồm các van bán dẫn công suất, các phần tử RLC, máy biến áp lực và cuộn cảm san bằng. Mạch điều khiển sẽ được biểu diễn bằng các sơ đồ khối, bao gồm cả các phần tử trong miền S, miền Z, các phần tử logic (ví dụ như các cổng logic,flip-flop) và các phần tử phi tuyến (ví dụ bộ chia). Các phần tử cảm biến sẽ đo các giá trị điện áp, dòng điện trong mạch lực để đưa các tín hiệu đo này về mạch điều khiển. Sau đó mạch điều khiển sẽ cho các tín hiệu đến bộ điều khiển chuyển mạch để điều khiển quá trình đóng cắt các van bán dẫn trong mạch lực. 2.1.2. Khởi động chương trình Khi khởi động chương trình thì PSIM Schematic sẽ chạy đầu tiên, các bạn vào File --> New, giao diện như sau: Menu Element toolbar toolbar Circuit window Hình 2.3. Giao diện của chương trình PSIM Thanh chuẩn (Standard) gồm: File, Edit, View, Subcircuit, Element, Simulate, Option, Window, Help. Mọi thao tác trong PSIM đều có thể thực hiện được từ thanh chuẩn này. Thanh công cụ gồm: New, Save, Open...Và các lệnh thường dùng như Wire (nối dây), Zoom, Run Simulation (chạy mô phỏng)... Thanh dưới cùng là các linh kiện thường dùng như điện trở, cuộn cảm, tụ điện, diode, thyristor,… 2.1.3. Biểu diễn tham số các phần tử Các tham số mối phần tử, bộ phận của mạch được đối thoại trên ba cửa sổ của PSIM bao gồm : - Các tham số (Parameters). - Các thông tin khác (Orther Info). - Màu sắc (Color). Hình 2.4. Cửa sổ trao đổi tham số trên PSIM Cửa sổ Parameters được sử dụng trong quá trình mô phỏng, còn cửa sổ Orther Info không sử dụng cho mô phỏng mà chỉ dành cho người sử dụng, các thông tin này sẽ được hiện ra trong mục View/Element List.Ví dụ như các thông số loại thiết bị, tên nhà sản xuất, số sản xuất…Còn cửa sổ Color để xác định màu sắc cho từng phần tử. Trên cửa sổ Parameters, các tham số được đưa vào dưới dạng các số thập phân hoặc dạng biểu thức toán học. Ví dụ một điện trở có thế được biểu diễn dưới các dạng sau: 12.5 ; 12.5 k ; 12.5 Ohm ; 12.5 kOhm ; 25/2 Ohm. Các luỹ thừa sau sử dụng các chữ cái để thể hiện : Các hàm toán học sau được sử dụng: + phép cộng - phép trừ * phép nhân / phép chia ^ hàm mũ SQRT hàm căn bậc hai SIN hàm sin COS hàm cos TAN hàm tang LOG hàm logarit cơ số tự nhiên 2.2. Một số phần tử mạch lực 2.2.1. Điện trở, điện cảm và điện dung (RLC) Với PSIM, các phần tử R, L, C rời rạc hay một nhánh RLC đều có thể được mô tả với các điều kiện đầu được xác định (dòng điện trên L, điện áp trên C). Ngoài ra mạch ba pha đối xứng, nhánh RLC cũng được mô tả với các điều kiện đầu được xác định bằng 0 bằng các ký hiệu “R3”, “RL3”, “RC3” và “RLC3”. Hình 2.5. ký hiệu phần tử RLC một pha và ba pha 2.2.2. Các khoá chuyển mạch Có hai dạng cơ bản của khoá đóng cắt trong PSIM : một là theo kiểu khoá gồm hai trạng thái (đóng và mở khoá), hai là theo kiểu ba trạng thái (đóng, mở và làm việc trong chế độ khuyếch đại tuyến tính). Khoá hai trạng thái bao gồm : điôt (DIODE), điac (DIAC), tiristor (THY), triac (TRIAC), GTO, tranzito công suất theo kiểu npn (NPN) hoặc pnp (PNP), IGBT, MOSFET kênh n (MOSFET_n) và kênh p (MOSFET_p), và khóa hai chiều (SSWI). Các phần tử này được mô tả như các khoá lý tưởng, nghĩa là ở trạng thái đóng (cho dòng chạy qua) khoá có gía trị nội trở bằng 10, còn ở trạng thái mở (không có dòng) sẽ có giá trị 1M. Hình 2.6. ký hiệu diot, diac và thyristor trong PSIM Khoá ba trạng thái bao gồm hai loại tranzito pnp (PNP_1) và npn (NPN_1). Hình 2.7. ký hiệu tranzito ba trạng thái 2.2.3. Khối điều khiển Gating block Khối này chỉ được nối với cực điều khiển của các khoá điện tử hai trạng thái kể trên và được xác định tính chất trực tiếp của block Gating. Mô tả một Gating block: Hình 2.8. Ký hiệu của Gating block. Frequency: tần số làm việc khi nối với các khoá điện tử. Number of points: số lần tác động trong một chu kỳ. Switching points: Góc tác động trong một chu kỳ. 2.2.4. Máy biến áp Có các loại như : Máy biến áp lý tưởng, máy biến áp một pha và ba pha với các kiểu đấu dây. Trên Psim các loại máy biến áp một pha sau đây được sử dụng : Một cuộn dây sơ cấp và một cuộn dây thứ cấp (TF_1F/TF_1F_1) Một cuộn dây sơ cấp và hai cuộn dây thứ cấp (TF_1F_3W) Hai cuộn dây sơ cấp và hai cuộn dây thứ cấp (TF_1F_4W) Một cuộn dây sơ cấp và bốn cuộn dây thứ cấp (TF_1F_5W) Một cuộn dây sơ cấp và sáu cuộn dây thứ cấp (TF_1F_7W) Hình 2.9. ký hiệu các loại máy biến áp một pha Trên Psim có các loại máy biến áp ba pha trụ sau : Máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây có các đầu dây ra của đầu và cuối cuộn dây (TF_3F) Máy biến áp 3 pha nối Y/Y và Y/ (TF_3YY/TF_3YD) Máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây nối Y/Y/ và Y/ (TF_3YYD/TF_3YDD) Hình 2.10. ký hiệu các loại biến áp ba pha 2.2.5. Các môđun của bộ biến đổi một pha và ba pha Các môđun bộ biến đổi một pha bao gồm cầu chỉnh lưu một pha bằng điôt và tiristo được biểu diễn như sau : Hình 2.11. Môđun chỉnh lưu cầu một pha Các môđun của bộ biến đổi ba pha bao gồm : chỉnh lưu cầu ba pha điôt BDIODE3, chỉnh lưu cầu ba pha tiristo BTHY3, chỉnh lưu tia ba pha tiristo BTHY3H : Hình 2.12. Môđun chỉnh lưu cầu ba pha 2.3. Một số phần tử mạch điều khiển 2.3.1. Khối hàm truyền Khối hàm truyền được biểu diễn bằng tỷ số của hai đa thức của tử số và mẫu số như sau : G(s) = k Có hai dạng của khối hàm truyền trên PSIM : loại thứ nhất cho các giá trị “không” ban đầu ( TFCTN), loại thứ hai cho các tham số vào ban đầu(TFCTN1). Bao gồm các khối như : khối tỷ lệ, khối tích phân, khối vi phân, khối tích phân - tỷ lệ và khối lọc. Hình 2.13. Ký hiệu khối tỷ lệ Hình 2.14. Ký hiệu khối tích phân Hình 2.15. Ký hiệu khối tỷ lệ - tích phân 2.3.2. Các khối tính toán Bao gồm các khối như khối cộng, khối nhân và chia, khối hàm căn bậc hai, mũ, luỹ thừa, logarit , khối hàm tính giá trị hiệu dụng RMS, khối hàm trị tuyệt đối và dấu, khối hàm lượng giác và khối biến đổi Fourier nhanh FFT. Hình 2.16. Ký hiệu các khối cộng Hình 2.17. Ký hiệu các khối nhân và chia Hình 2.18. Ký hiệu các khối hàm căn, mũ, luỹ thừa và logarit 2.3.3. Các khối hàm khác 2.3.3.1. Khối so sánh Tín hiệu ra của khối so sánh sẽ có giá trị dương khi tín hiệu vào ở cực (+) có giá trị lớn hơn ở cực (-), sẽ có tín hiệu ra bằng 0 khi tín hiệu cực (+) nhỏ hơn. Khi giá trị vào ở hai cực bằng nhau thì tín hiệu ra luôn giữ giá trị ở thời điểm đó. Hình 2.19. Ký hiệu khối so sánh 2.3.3.2. Khối hạn chế Tín hiệu ra của khối hạn chế sẽ bằng giá trị tín hiệu vào khi tín hiệu chưa vượt quá giá trị giới hạn, còn khi tín hiệu vào vượt quá tín hiệu giới hạn thì tín hiệu ra sẽ ở mức hạn chế cao nhất hoặc thấp nhất. Hình 2.20. Ký hiệu khối hạn chế 2.3.3.3. Khối xung hình thang và xung chữ nhật Hai khối, khối xung hình thang (LKUP_TZ) và khối xung hình chữ nhật (LKUP_SQ). Hình 2.21. Ký hiệu xung hình thang và xung chữ nhật 2.3.3.4. Khối trễ thời gian (time delay block) Khối này sẽ tạo trễ một khoảng thời gian của dạng sóng đầu vào, ví dụ như chúng được sử dụng vào mô hình của phần tử truyền sóng có trễ hay phần tử logic. Để mô tả khối trễ thời gian chỉ cần xác định thời gian trễ tính theo giây (s). Hình 2.22. Ký hiệu khối trễ thời gian. 2.3.4. Các phần tử logic 2.3.4.1. Cổng logic Đó là các cổng logic : cổng AND, OR, XOR, NOT, NAND và NOR. Hình 2.23. ký hiệu các cổng logic 2.3.4.2. Khối chuyển đổi A/D và D/A Đây là các khối chuyển đổi tương tự/số (analog/digital) và ngược lại, với 2 loại ở tín hiệu số 8 bit và 10 bit. Hình 2.24. ký hiệu các khối chuyển đổi A/D và D/A 2.4. Các phần tử khác 2.4.1. Các dạng nguồn 2.4.1.1. Nguồn một chiều DC Các dạng nguồn một chiều có ký hiệu (_GND) là loại có nối đất, ký hiệu (V) là dạng nguồn áp, ký hiệu (I) là nguồn dòng. Hình 2.25. Ký hiệu các nguồn DC 2.4.1.2. Nguồn hình Sin Nguồn hình sin cũng bao gồm hai loại nguồn dòng và áp,có ký hiệu ở hình 2.25. đối với nguồn một pha và nguồn điện áp sin ba pha đối xứng nối (Y) được ký hiệu như hình 2.26, với pha A có ký hiệu dấu chấm trên nguồn. Hình 2.26. Ký hiệu nguồn hình sin một pha nguồn hình sin ba pha 2.4.1.3. Nguồn sóng chữ nhật Có 2 loại nguồn sóng chữ nhật : nguồn áp (VSQU) và nguồn dòng (ISQU) có ký hiệu như ở hình 2.27. Hình 2.27. Ký hiệu nguồn sóng chữ nhật 2.4.1.4. Cảm biến điện áp/dòng điện Các cảm biến sẽ đo giá trị điện áp và dòng điện trong mạch động lực để sử dụng trong mạch điều khiển. Cảm biến dòng sẽ có nội trở là 1. Hình 2.28. Ký hiệu các cảm biến điện áp và dòng điện 2.4.2. Bộ điều khiển chuyển mạch 2.4.2.1. Bộ điều khiển khoá đóng cắt (on-off switch controller) Bộ điều khiển như một giao diện giữa tín hiệu điều khiển và khoá đóng cắt mạch lực : tín hiệu đầu vào của khối là 0 hoặc 1 từ mạch điều khiển sẽ đưa đến cực điều khiển của khoá động lực. Hình 2.29. ký hiệu của bộ on-off switch controller. 2.4.2.2.Bộ điều khiển góc mở Bộ điều khiển dùng để điều khiển góc mở của tiristor, ký hiệu vào của bộ điều khiển bao gồm : góc , tín hiệu đồng bộ và tín hiệu cho phép (enable/disable signal). Quá trình chuyển đổi tín hiệu đồng bộ từ 0 đến 1 sẽ cung cấp thời điểm đồng bộ ở góc 0. Còn góc mở được xác định từ tín hiệu tức thời, alpha được tính theo độ. Hình 2.30. ký hiệu của bộ alpha controller. Mô tả: Frequency: tần số tác động của bộ, Hz. Pulse width: độ rộng xung điều khiển, độ. 2.4.3. Mạch phụ (Subcircuit) Các bước thao tác một mạch phụ như sau: - New subcircuit: Thiết lập một mạch phụ mới. - Load subcircuit: Tải xuống một mạch phụ đã có, mạch phụ này sẽ hiển thị trên màn hình như một khối. - Edit subcircuit: Soạn thảo kích thước tên file của mạch phụ. - Set size: Cài đặt độ lớn của mạch phụ. - Place port: Đặt vị trí cổng kết nối giữa mạch chính với mạch phụ. - Display port: Hiển thị cổng kết nối của mạch phụ. - Edit default variable list: Soạn thảo danh sách các thông số mặc định trên mạch phụ. - Edit image: Soạn thảo hình ảnh của mạch phụ. - Display subcircuit name: Hiển thị tên của mạch phụ. - Show subcircuit ports: Hiển thị tên cổng của mạch phụ trong mạch chính. - Hide subcircuit ports: không cho hiển thị tên cổng của mạch phụ trong mạch chính. - Subcircuit list: Danh sách tên file của mạch chính và mạch phụ. - One page up: Quay trở lại mạch chính, khi đó mạch phụ sẽ được lưu tự động. - Top page: Nhảy từ mạch phụ (mức thấp) lên mạch chính (mức cao) cho phép sử dụng dễ dàng khi có chiều mạch phụ. 2.4.3.1. Taọ mạch phụ trong mạch chính Các bước tạo một mạch phụ có tên file “mach-phu.sch” trong mạch chính có địa chỉ “mach-chinh.sch” như sau: - Tạo “mach-chinh.sch”. - Trong “mach-chinh.sch” chọn menu subcircuit để chọn new subcircuit. - Một khối vuông sẽ xuất hiện trên màn hình để tạo mạch phụ. 2.4.3.2. kết nối mạch phụ trong mạch chính Khi mạch phụ đã được thiết lập cùng với các cổng kết nối của nó đã xác định, cần nối mạch phụ vào mạch chính theo các bước sau: - Trong mạch chính các điểm nối của khối mạch phụ sẽ xuất hiện các với các vòng tròn rỗng. - Chọn khối mạch phụ và chọn Show subcircuit ports trêb menu Subcircuit để hiển thị tên cổng được xác định ở phần trên. - Dùng dây nối vào các điểm nối tương ứng. 2.5. Các bước tiến hành mô phỏng mạch điện tử công suất Để tiến hành khảo sát một mạch điện tử công suất, cần tiến hành các bước sau : 1. Xác định mô hình các phần tử bán dẫn cần có để thiết lập mạch cần khảo sát, nhất là các van bán dẫn công suất. 2. Thiết lập sơ đồ nguyên lý của mạch cần nghiên cứu. Thông thường gồm hai phần: sơ đồ mạch lực và sơ đồ mạch điều khiển. 3. Chuyển đổi từ sơ đồ nguyên lý sang chương trình mô hình hoá theo ngôn ngữ chuyên dụng của phần mềm. 4. Vào các tham số sơ đồ và số liệu khảo sát. 5. Tiến hành khảo sát, thường chia thành hai bước: a) Chạy thử chương trình với chế độ quen thuộc mà kết quả đã biết trước để kiểm tra độ chính xác của mô hình. b) Khi mô hình đạt độ tin cậy, tiến hành nghiên cứu với các chế độ cần khảo sát theo yêu cầu đặt ra. 2.6. Ví dụ mô phỏng 2.6.1. Thiết kế mạch điện Thiết kế mạch băm áp một chiều sử dụng hai khối điều khiển cho IGBT: Gating block hoặc switch controller với tần số đóng cắt của độ băm là 5 kHz. 2.6.2. Cài đặt tham số cho các phần tử của mạch lực Để cài đặt các tham số vào một phần tử, trước tiên ta nháy kép chuột trái vào phần tử đó, trên màn hình xuất hiện cửa số đối thoại để người sử dụng có thể đưa tham số vào. Hình 2.31. Thiết kế mạch băm áp một chiều 2.6.3. Cài đặt tham số các phần tử của mạch điều khiển * Mạch điều khiển dùng Gating block : - Tên khối điều khiển : Go - Tần số làm việc : 5000 Hz - Số lần tác động trong một chu kỳ : 2 - Góc tác động trong một chu kỳ : 180 Hình 2.32. Hộp thoại mô tả khối Gating block *. Mạch điều khiển dùng switch controller : Tín hiệu vào của khối này là tín hiệu so sánh COMP, so sánh hai tín hiệu : nguồn một chiều VDC và nguồn xung tam giác VTR1. Hình 2.33. hộp thoại tham số các phần tử mạch điều khiển dùng switch controller 2.6.4. Chạy mô phỏng Sau khi thiết kế mạch, mô tả và cài đặt các tham số cho tất cả các phần tử trong mạch, ta tiến hành mô phỏng mạch bằng cách ấn nút chuột trái lên ký hiệu khởi động mô phỏng (Run Psim) trên thanh công cụ của cửa sổ mạch thiết kế. khi đó Psim sẽ khởi động và chạy chương trình mô phỏng mạch (Psim simulator). Trên màn hình sẽ xuất hiện cửa sổ lựa chọn các đường cong mô phỏng hiển thị (hình 2.34): cửa sổ bên trái là các đường cong hiển thị, cửa sổ bên phải là đường cong cần hiển thị. Trong đó các đường cong I (L1) và V1 là cho mạch bên trái (hình 2.31) còn I (L2) và V2 là cho mạch hình bên phải. Hình 2.34. Cửa sổ lựa chọn hiển thị các đường cong kết quả Hình 2.35. Đường cong kết quả mô phỏng I(L1) V1 với f=5000 Hz. Hình 2.35 là đường cong kết quả mô phỏng I (L1) và V1 trong miền thời gian.Với các tham số giống hệt nhau của mạch bên phải (hình 2.31) so với mạch bên trái thì kết quả đường cong I(L2) và V2 sẽ giống I(L1) và V1. Để nghiên cứu ảnh hưởng của tần số đóng cắt mạch băm áp một chiều này ta cho tham số f biến thiên.Giả sử ta thay đổi tần số bộ nguồn sóng tam giác VTR1 là 1000 Hz, với các bước Run Psim và Run simulator, ta có đường cong của I (L2) và V2. Hình 2.36. Đường cong kết quả mô phỏng I(L2) và V2 với f=1000 hz và L2=0.001 H Nhận xét : So sánh kết quả của hình 2.35 và 2.36 với cùng một tỷ lệ trên trục y, hiển thị trong cùng một khoảng thời gian trục X, ta thấy : Ở tần số 5000 Hz thì sau khoảng 2ms, điện áp và dòng điện đầu ra gần như có giá trị một chiều phẳng ổn định (V1 = 50 V; I(L1) = 10 A). Trong khi đó với tần số 1000 Hz thì điện áp và dòng điện ra của độ băm có giá trị một chiều dao động với biên độ lớn với tần số 1000 Hz. Để cải thiện dạng sóng đầu ra ở tần số này ta tăng giá trị cuộn kháng san bằng. Hình 2.37 là dạng đường cong kết quả của I (L2) và V2 khi L2 = 0.01 ở tần số 1000 hz (các phần tử khác giữ nguyên tham số). Hình 2.37. Đường cong kết quả mô phỏng I (L2) và V2 với f=1000 hz ; L2 = 0.01 H Trên đây là giới thiệu sơ lược về sử dụng PSIM mô phỏng Điện tử công suất. Để làm rõ hơn ưu điểm của phần mềm PSIM, chúng tôi sẽ thiết kế bộ điều khiển cho lò điện trở với thông số: D= 300 500 P = 50 kW = 3 kW Nguồn 50 Hz ; 3 pha 380 V. Chương 3 Tổng quan về lò điện 3.1. Giới thiệu chung về lò điện 3.1.1.Định nghĩa Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung hay nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau ,v.v.. - Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật: Sản xuất thép chất lượng cao Sản xuất các hợp kim phe-rô Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn đập, kéo sợi - Trong các lĩnh vực công nghiệp khác: Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để sấy, mạ vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa … Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hằng ngày của con người một cách phong phú : bếp điện, nồi cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung nắn, sấy điện … 3.1.2. Ưu điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu Lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu có những ưu điểm sau: Có khả năng tạo được nhiệt độ cao Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển vật phẩm Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ 3.1.3. Nhược điểm của lò điện Năng lượng điện đắt Yêu cầu có trình độ cao khi sử dụng . 3.2. Giới thiệu về lò điện trở 3.2.1. Nguyên lý làm việc của lò điện trở Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc một vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một nhiệt lượng theo định luật Jun-Lenxơ : Q=IRT Q - Lượng nhiệt tính bằng Jun ( J ) I - Dòng điện tính bằng Ampe ( A ) R - Điện trở tính bằng Ôm T - Thời gian tính bằng giây ( s ) Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò: Vật nung : Trường hợp này gọi là nung trực tiếp Dây nung :Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trường hợp này gọi là nung gián tiếp . Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản ( chữ nhật, vuông, tròn ) Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp.Cho nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò. 3.2.2. Yêu cầu đối với vật liệu làm dây nung - Có độ bền cơ khí cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao. - Có điện trở suất lớn. - Hệ số nhiệt điện trở nhỏ. - Dễ gia công, dễ hàn, hoặc dễ ép khuôn. 3.2.3. Cấu tạo lò điện trở Lò điện trở gồm 3 phần chính : vỏ lò, lớp lót, dây nung. 3.2.3.1. Vỏ lò Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình làm việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò. Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò. Có các loại vỏ lò như vỏ lò tròn, vỏ lò chữ nhật… 3.2.3.2. Lớp lót Gồm hai phần là vật liệu chịu lửa và cách nhiệt. Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn hay gạch hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò. Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu như: Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò, có độ bền tốt, đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn… Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục đích chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt. Riêng đối với đáy, phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định. Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt hoặc được điền đầy bằng bột cách nhiệt. 3.2.3.3. Dây nung Theo đặc tính của vật liệu làm dây nung, người ta chia dây nung làm hai loại : dây nung kim loại và dây nung phi kim loại. Trong công nghiệp, các lò điện trở dùng phổ biến là dây nung kim loại. Hình 3.1. lò giếng Thông thường trong thực tế, người ta hay sử dụng bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều ba pha để điều khiển nhiệt độ của các lò điện trở. 3.3. Phương pháp điều khiển lò điện trở bằng mạch điều áp xoay chiều ba pha Trong thực tế ta hay nguời ta hay sử dụng bộ điều chỉnh xung áp ba pha điều khiển nhiệt độ của các lò điện trở. Nếu bộ biến đổi xung áp ba pha được ghép từ ba bộ biến đổi một pha và có dây trung tính thì dòng qua mỗi pha sẽ không phụ thuộc vào dòng của các pha khác. Hình 3.2. Bộ biến đổi xung áp có dây trung tính và không dây trung tính. Khi phân tích hoạt động của sơ đồ ta cần xác định rõ xem trong các giai đoạn sẽ có bao nhiêu van dẫn và nhờ các quy luật dưới đây ta có thể có được biểu thức điện áp của từng giai đoạn, từ đó mới tiến hành tính toán. Dưới đây là các quy luật dẫn dòng của van trong mạch điều áp xoay chiều ba pha: Nếu mỗi pha có một van dẫn thì toàn bộ điện áp ba pha nguồn đều nối ra tải. Nếu chỉ hai pha có van dẫn thì một pha nguồn bị ngắt ra khỏi tải, do đó diện áp đưa ra tải bằng ½ điện áp 2 pha có van dẫn. Không thể có trường hợp chỉ có một pha dẫn dòng. Ta xét hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng sáu thyristor đấu song song ngược, tải thuần trở đấu hình sao ở trên và dựng đồ thị quan hệ giữa công suất tải và góc : Công suất tải là : P = 3.R.I . Trong đó I là trị số hiệu dụng của dòng điện tải. Dòng điện này biến thiên theo quy luât dẫn dòng của van như sau : Nếu mỗi pha có một van dẫn ( hay toàn mạch có ba van dẫn ) : i = sin(+) (3.1) - Nếu chỉ có hai van dẫn ( hay toàn mạch có hai van dẫn ) : i = sin(+) (3.2) trong đó : là biên độ điện áp dây. là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở giai đoạn đang xét. Tuỳ thuộc vào góc điều khiển mà các giai đoạn có ba van dẫn hoặc hai van dẫn cũng thay đổi theo.Ta thấy có ba khoảng điều khiển chính: 3.3.1. Khoảng van dẫn ứng với = 0 60 Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau như đồ thị sau đây : Hình 3.3. , đồ thị điện áp pha A của tải góc dẫn thyristor Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển : P = 3.I.R = 3 (3.3) Trong đó là trị hiệu dụng của điện áp tải pha a. Trong trường hợp đang xét ta có : (3.4)  3.3.2. Khoảng van dẫn ứng với = 60 90 Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn. Ta có đồ thị điện áp ra : Hình 3.4. , góc dẫn van không đổi và bằng Dựa vào đồ thị ta có thể xác đinh được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển : P = 3.I.R = 3 =. = [] (3.5) 3.3.3. Khoảng van dẫn ứng với = 90 150 Hình 3.5. , van dẫn hai đoạn (, xen giữa là đoạn nghỉ không có van nào dẫn dài (. Trong phạm vi này chỉ có các giai đoạn hai van dẫn hoặc không có van nào dẫn xen kẽ nhau. Ta có đồ thị điện áp ra ( như hình vẽ ). Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển : P = 3.I.R = 3. = = (3.6) Theo ba biểu thức (3.4), (3.5), (3.6) và cho các giá trị khác nhau, lấy P ở= 0 là 100% ta có bảng các giá trị và đồ thị biểu diễn quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều khiển : P% P% 0 15 30 45 60 100 99 95 86 70 75 90 105 120 135 150 50 29.3 13.6 4.3 0.5 0 Bảng 3.1. Các giá trị biểu diễn quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều khiển  Hình 3.6. Đồ thị quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều khiển Nhận xét : Công suất đưa ra tải là lớn nhất khi góc điều khiển = 0 nhưng với = 30 thì công suất ra tải cũng xấp xỉ khi = 0. Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược tải thuần trở đấu tam giác, dạng điện áp từng pha cũng như vậy. Tuy nhiên, do tải đấu tam giác nên khi mạch có ba van dẫn thì điện áp rơi trên điện trở tải là điện áp dây, khi mạch có hai van dẫn thì điện áp rơi trên điện trở tải giữa hai dây đó là điện áp dây còn điện áp rơi trên hai điên trở còn lại bằng một nửa điện áp dây. Chương 4 Thiết kế tính toán mạch lực và mạch điều khiển 4.1. Thiết kế tính toán mạch lực 4.1.1. Tính chọn van bán dẫn Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện, ta sử dụng mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song ngược, tải thuần trở đấu sao. Các biểu thức thể hiện quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều khiển : công thức (3.4), (3.5), (3.6). Hình 4.1. Bộ biến đổi xung áp không có dây trung tính Công suất định mức của lò điện là = 40 (kw) Tổn hao của lò điện là 3 (kw) Trong thực tế, lò điện có thể coi là hộ tiêu dùng điện loại một, nghĩa là nguồn cung cấp cho lò điện là ổn định. Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả cũng như sự an toàn trong hoạt động của lò điện, ta sẽ chọn một lượng công suất dự trữ cho lò điện đề phòng trường hợp điện áp nguồn vì một lý do nào đó bị sụt áp. Ngoài ra, trong quá trình hoạt động của mình, lò điện cũng chịu thêm một số tổn thất khác như tổn thất trên các van bán dẫn, tổn thất trên đường dây … Nhưng do không đáng kể so với tổng tổn thất vì nhiệt của lò nên ta có thể bỏ qua nên ta chọn công suất cực đại của lò là : (kw). Ta có : (4.1) Ta xác định được dây điện trở của lò có giá trị là 1,444 (). Từ hoạt động của mạch điều áp xoay chiều với các giản đồn điện áp ở trên ta xác định được điện áp ngược lớn nhất trên mỗi van : (V) (4.2) Để chọn giá trị của điện áp ngược lớn nhất trên van, ta sẽ chọn thêm hệ số dự trữ điện áp k= 1,62 Ta chọn: k=1,6. Từ đó U= k.U=1,6 . 537 = 860 (V) I = I = [-cos -(-cos 0)] I = = 68,6 (A) (4.3) Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và đủ diện tích tản nhiệt. Như vậy ta chọn k= 2,1 => (A) Ta có U và I ta chọn 6 thyristor loại SC150C80 có các thông số : 800 (V) 150 (A) 2800 (A) 0,1 (A) 3 (V) 15 (mA) 200 (V/) 180 (A/) 80 () Bảng 4.1. Thông số của thyristor. 4.1.2. Tính toán bảo vệ van bán dẫn Để tránh hiện tượng quá dòng, quá áp trên van có thể gây nên hỏng van ta phải có những biện pháp thích hợp để bảo vệ van. Biện pháp bảo vệ van thường dùng nhất là mắc mạch R, C song song van để bảo vệ quá áp và mác nối tiếp cuộn kháng bão hoà để hạn chế tốc độ tăng dòng. 4.1.2.1. Bảo vệ quá dòng Do tải của lò điện là tải thuần trở nên khi van có tín hiệu điều khiển mở thì dòng qua van sẽ tăng đột ngột với tốc độ tăng dòng rất lớn sẽ gây hỏng van. Vì vậy, người ta cần phải mắc vào trước van một cuộn dây để hạn chế tốc độ tăng dòng. Cuộn dây được dùng là một cuộn kháng bão hoà có đặc tính là: Khi dòng qua cuộn kháng ổn định thì điện cảm của cuộn kháng hầu như bằng không và lúc này cuộn dây dẫn điện như một dây dẫn bình thường. Ta có mạch như hình vẽ: Hình 4.2. Mạch bảo vệ quá dòng của Thyristor Để tính toán giá trị của cuộn kháng ta xét quá trình quá độ trong mạch: U= i.R + L. (4.4) Ta thấy rằng, tốc độ tăng dòng lớn nhất là: max = (4.5) Để đảm bảo an toàn cho van ta phải chọn L sao cho max phải nhỏ hơn tốc độ tăng dòng chịu được của van, hay là: < 180 (A/) = = 1,728 (4.6) Ta chọn cuộn kháng bão hoà có giá trị là 1,73, loại lõi không khí vì điện cảm nhỏ. 4.1.2.2. Bảo vệ quá áp Sau khi tính toán bảo vệ chống tốc độ tăng dòng, ta tính toán bảo vệ quá áp cho van. Người ta chia ra hai loại nguyên nhân gây nên quá áp: +) Nguyên nhân nội tại Là do sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn. khi khoá van thyristor bằng điện áp ngược, các điện tích nói trên đổi ngược lại hành trình, tạo ra dòng điện ngược trong thời gian rất ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây nên sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, vốn luôn luôn có của đường dây nguồn dẫn đến các thyristor. Vì vậy, giữa anốt và catốt của thyristor xuất hiện quá điện áp. +) Nguyên nhân bên ngoài Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như khi đóng cắt không tải một máy biến áp trên đường dây, khi có sấm sét.. Để bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích chuyển mạch gây ra nên người ta dùng mạch RC đấu song song với thyristor như sau: Hình 4.3. Mạch RC bảo vệ quá điện áp của Thyristor Thông số của R, C phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra, tốc độ biến thiên của dòng điện chuyển mạch, điện cảm trên đường dây…Việc tính toán thông số của mạch R, C rất phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian. Tuy nhiên trong thực tế, khi tính toán thiết kế bảo vệ van thì rất khó có thể có đầy đủ tất cả các đường cong đặc tính cần thiết nên người ta thường chọn giá trị của R, C theo kinh nghiệm : R = 20100 () ; C = 0,41 (). Với dòng qua van nhỏ, ta chọn giá trị R lớn. Với dòng qua van lớn, ta chọn giá trị R nhỏ. Theo tính toán, dòng qua van bằng 68,6 (A) không phải là lớn nên ta chọn giá trị R, C như sau: R = 100 ; C = 0,47 Ngoài ra, trong mạch lực cũng cần có thêm các thiết bị bảo vệ ngắn mạch, quá tải… như aptomat, cầu chì… ở mỗi pha và cầu chì ở trước mỗi van để tăng cao tính an toàn cho mạch. Ta có mạch như sau: Hình 4.4. Mạch bảo vệ van thyristor 4.2. Thiết kế và tính toán mạch điều khiển 4.2.1. Nguyên tắc điều khiển Trong thực tế thường dùng hai nguyên tắc điều khiển: thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng “arccos” để thực hiện điều chỉnh vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên thyristor. 4.2.1.1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Theo nguyên tắc này, người tai dùng hai điện áp : Điện áp đồng bộ, ký hiệu là u, đồng bộ với điện áp đặt trên anôt – catôt của thyristor, thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh. Điện áp điều khiển, ký hiệu là u(điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ), thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh. Bấy giờ, hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là : u = u- u Mỗi khi u= u thì khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận được sườn xuống của điện áp đầu ra của khâu so sánh. “Sườn xuống” này, thông qua đa hài một trạng thái ổn định, tạo ra một xung điều khiển. Như vậy, bằng cách làm biến đổi u, người ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh được góc . Giữa và u có quan hệ sau : . Người ta lấy U= U Hình 4.5. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng.tuyến tính Giữa và có quan hệ sau : Lấy U= U. 4.2.1.2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp : - Điện áp đồng bộ u, vượt trước u = U của tiristo một góc bằng : u. - Điện áp điều khiển u là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ theo 2 chiều (dương và âm). Nếu đặt u vào cổng đảo và uvào cổng không đảo của khâu so sánh thì khi , ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái : U Do đó + Khi thì + Khi thì + Khi thì Như vậy, khi điều chỉnh u từ trị đến trị , ta có thể điều chỉnh được góc từ 0 đến . Hình 4.6. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” Trong đồ án chọn nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính để điều khiển lò điện trở. 4.2.2. Mạch điều khiển Đồng Pha U So sánh Tạo dạng xung Khuếch đại xung U Phát xung Hình 4.7. Sơ đồ mạch điều khiển Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực chỉnh lưu được đưa đến mạch đồng pha. Đầu ra của mạch đồng pha có các điện áp thường là dạng hình sin, cùng tần số và có thể lệch pha một góc xác định so với điện áp nguồn, gọi là điện áp đồng pha. Các điện áp đồng pha được đưa vào mạch phát điện áp răng cưa. Đầu ra của điện áp răng cưa được đưa vào đầu vào của khâu so sánh. Tại đó còn có một tín hiệu khác là điện áp phản hồi tương đương với nhiệt độ của lò. Tín hiệu đầu ra khối so sánh là các xung xuất hiện với chu kỳ bằng chu kỳ U. Xung răng cưa có hai sườn trong đó có một sườn tại đó |U|=|U| thì đầu ra khối xuất hiện một xung điện áp, sườn đó là sườn sử dụng. Vậy có thể thay đổi thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối so sánh bằng cách thay đổi U khi giữ nguyên dạng của U. Nhưng trong đa số các trường hợp tín hiệu ra từ khối so sánh chưa đủ yêu cầu cần thiết, người ta cần thực hiện việc khuếch đại, sửa xung…Các nhiệm vụ này được thực hiện gọi là mạch tạo xung. Đầu ra khối tạo xung ta sẽ được chuỗi xung điều khiển Thyristor có đủ yêu cầu về công suất, độ dốc, độ dài…Thời điểm bắt đầu xuất hiện các xung hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối so sánh. Khối so sánh xác định góc điều khiển . Thay đổi U có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điều chỉnh được góc . 4.2.2.1. Khâu đồng pha Hình 4.8. Sơ đồ khâu đồng pha Chọn điện áp xoay chiều đồng pha : U = 9 (V). Điện trở R để hạn chế dòng điện đi vào khuyếch đại thuật toán A, thường chọn R sao cho dòng vào khuyếch đại thuật toán I < 1 mA. Do đó : R = = 9 (k). Chọn R = 10 (k). - Giản đồ điện áp: Hình 4.9. Giản đồ điện áp khâu đồng pha 4.2.2.2. Khâu tạo điện áp răng cưa Hình 4.10. Sơ đồ khâu tạo điện áp răng cưa Phần điện áp dương của U qua điốt D, vào mạch tích phân RC, tạo điện áp răng cưa. Phần điện áp âm của Ulàm mở thông tranzito Tr, lúc này tụ C phóng điện nhanh qua tranzitor Tr, điện áp ra U=U=0. Trên đầu ra của A ta có chuỗi điện áp răng cưa. Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C. Mặt khác để bảo đảm điện áp tựa có trong nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được T = R.C = 0,001 (s) Chọn tụ C = 0,1 () thì điện trở R= = = 100 (k) Chọn tranzito T loại A564 có các thông số sau : Dòng lớn nhất ở colectơ có thể chịu : I = 100 (mA) Hệ số khuyếch đại : = 250 Dòng cực đại của bazơ : I = = = 0,4 (A) Điện trở R để hạn chế dòng điện đi vào bazơ của tranzito T được chọn như sau : R = 37,5 (k) Chọn R= 38 (k). - Giản đồ điện áp: Hình 4.11. Giản đồ điện áp khâu tạo điện áp răng cưa 4.2.2.3. Khâu so sánh Hình 4.12. Sơ đồ khâu so sánh Điện áp U được so sánh với điện áp điều khiển U tại đầu vào A. Tổng đại số (U+U) quyết định dấu điện áp đầu ra của khuếch đại thuật toán A. Khi U= U, khuếch đại thuật toán sẽ lật trạng thái và U sẽ đổi dấu. Ta thu được điện áp ở đầu ra A là chuỗi xung hình chữ nhật. - Giản đồ điện áp: Hình 4.13. Giản đồ điện áp khâu so sánh 4.2.2.4. Khâu tạo xung chùm Hình 4.14. Sơ đồ khâu tạo xung chùm Để giảm công suất cho tầng khuyếch đại và tăng số lượng xung kích mở, nhằm đảm bảo thyristor mở một cách chắc chắn, ta dùng một bộ phát xung chùm cho các thyristor. Chùm xung thu được sẽ đưa tới cổng AND cùng với tín hiệu nhận từ khâu so sánh. Tín hiệu đầu ra sẽ được đưa tới khâu khuyếch đại xung. Chọn IC loại TL084 do hãng Texas Instruments chế tạo, các IC này có khuyếch đại thuật toán với các thông số như sau : Điện áp nguồn nuôi : V = 18 V ; chọn V = 15 V. Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : 30 V. Công suất tiêu thụ : P = 0,68 W. Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : = 13 V/. Mạch tạo chùm xung có tần số : f = 20 kHz, hay chu kỳ của xung chùm : T = = 50 () Ta có : T = 2R.C.ln(1 + 2) Chọn R= R= 33 k thì T = 2,2.R.C = 50 () Nên : R.C = = 22,8 Chọn tụ C= 0,1 () có điện áp U = 16 (V) => R = 0,228 (k) Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch, ta chọn R là biến trở 0,2 k. - Tín hiệu đầu ra khâu phát xung chùm : Hình 4.15. Giản đồ điện áp khâu tạo xung chùm 4.2.2.5. Chọn cổng AND Hình 4.16. Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm Chọn IC4081 họ CMOS có 4 cổng AND với các thông số : Nguồn nuôi : 3 15 V ; chọn V = 15 V. Công suất tiêu thụ : P = 2,5 nW/ 1 cổng. Dòng làm việc : I < 1 mA Điện áp ứng với mức logic “1” là 24,5 V. - Tín hiệu điện áp ra : Hình 4.17. Giản đồ tín hiệu điện áp ra 4.2.2.6. Khâu khuyếch đại và biến áp xung Hình 4.18. Sơ đồ khâu khuếch đại và biến áp xung. Để nâng cao hệ số khuyếch đại và công suất của xung ra, ta dùng mạch khuyếch đại nối kép hai Tranzito theo kiểu sơ đồ Darlington. Thường chọn Tranzito T có công suất lớn thoả mãn với công suất của xung ra, còn Tranzito T có nhiệm vụ khuyếch đại dòng. Hệ số khuyếch đại của mạch () tính theo công thức : , là hệ số khuyếch đại của tranzito T và T. là hiệu suất thường lấy xấp xỉ 0,7. Tín hiệu vào U là một tín hiệu logic. Khi tín hiệu ở mức “1” thì Tranzito mở bão hoà, tín hiệu ở mức “0” Tranzito khoá lại. Điện trở R, R hạn chế dòng, điôt D hạn chế quá điện áp trên các cực colectơ, emitơ của Tranzito T. Vì xung điều khiển có độ rộng bé, mà thời gian mở thông của Tranzito dài, làm cho công suất toả nhiệt dư của Tranzito lớn và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp lớn. Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt của Tranzito và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp xung, ta nối thêm tụ C. Khi đó, Tranzito chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian tụ nạp, nên dòng hiệu dụng sẽ nhỏ hơn nhiều lần. Điện trở R dùng để hạn chế dòng điện đưa vào bazơ của tranzito T. - Giản đồ điện áp: Hình 4.19. Giản đồ điện áp khâu khuếch đại và biến áp xung. * Tính toán mạch điều khiển và tầng khuếch đại biến áp xung Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển: 800 (V) 150 (A) 2800 (A) 0,1 (A) 3 (V) 15 (mA) 200 (V/) 180 (A/) 80 () * Tính biến áp xung Chọn vật liệu làm lõi sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần đặc tính từ hoá có = 0,3T ; = 30 (A/m) không có kẽ hở không khí. + Tỉ số biến áp xung chọn m = 3. + Điện áp thứ cấp máy biến áp xung : U= U= 3 (V) + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung : U= m.U= 3.3= 9 (V) + Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung : I= I= 0,1 (A) + Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung : I= = = 0,033 (A) + Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt : = = = 8.10 (H/m) Với = 1,25.10 (H/m) là độ từ thẩm của không khí. + Thể tích lõi thép cần có : V = Q.l = V = V = 0,834.10(m) = 0,834 (cm) Chọn mạch từ có thể tích V = 1,4 (cm). Với thể tích đó, ta có các kích thước mạch từ như sau : a = 4,5 mm ; b = 6 mm ; Q = 27 mm ; d = 12 mm ; D = 21 mm. Chiều dài trung bình mạch từ l = 5,2 cm. + Số vòng dây sơ cấp máy biến áp xung : Theo định luật cảm ứng điện từ có : U = W.Q = W.Q. W = = = 186 (vòng) + Số vòng dây thứ cấp : W = = = 62 (vòng) + Tiết diện dây quấn sơ cấp : S = = = 0,0056 (mm) Chọn mật độ dòng điện J = 6 (A/mm) + Đường kính dây quấn sơ cấp : d = = = 0,084 (mm) Chọn d = 0,1 (mm) + Tiết diện dây quấn thứ cấp : S = = = 0,025 (mm) Chọn mật độ dòng điện J = 4 (mm) + Đường kính dây quấn thứ cấp : d== = 0,178 (mm) Chọn dây có đường kính d= 0,18 (mm). + Kiểm tra hệ số lấp đầy : K = = = = 0,03 Như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết. * Chọn tụ C, R : Chọn R thoả mãn điều kiện : R = = 6,757 (k) Chọn R = 6,8 k. Chọn C.R = t= 167 , từ đó C = = = 0,024 () Chọn Tranzito T loại 2SC9111 có các thông số : Tranzito loại NPN, vật liệu bán dẫn là Si. Dòng lớn nhất ở colecto có thể chịu : I = 500 mA Hệ số khuếch đại = 50. Dòng làm việc của colectơ : I= I = 33,3 mA Dòng làm việc của bazơ là : I = = = 0,66 mA Với loại thyristor đã chọn có công suất điều khiển nhỏ (U = 3 V, I = 0,1 A), nên dòng colectơ – bazơ của tranzito T khá nhỏ. Trong trường hợp này ta có thể không cần tranzito T mà vẫn có đủ công suất điều khiển tranzito Chọn nguồn cấp cho máy biến áp xung : E = 15 V. Với nguồn E = 15 V, ta phải mắc thêm điện trở R nối tiếp với cực Emitơ của T : R = = 180 () Chọn R= 10 k Tất cả các điôt trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có các thông số : Dòng điện định mức : I = 10 mA Điện áp ngược lớn nhất : U = 25 V Điện áp để cho điôt mở thông : U = 1 V 4.2.2.7. Khâu phản hồi - Sơ đồ đo nhiệt độ trong lò lấy tín hiệu ra là điện áp U: Hình 4.20. Sơ đồ đo nhiệt độ từ lò điện trở Trong sơ đồ trên : Ta dùng cặp nhiệt điện Platin – Platin Rôđi đo lâu dài với nhiệt độ là 1000 đến 1200C. R, R, R là điện trở Manganin. R là điện trở thay đổi theo nhiệt độ được làm bằng Cu hoặc Ni. Ở 0C cầu được tính toán cân bằng, lúc này E= 0. Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, cầu mất cân bằng. Lúc này giá trị của R cũng thay đổi làm xuất hiện trên hai đầu A, B một điện áp . Mặt khác, nhiệt độ thay đổi nên hai đầu nhiệt kế xuất hiện một điện áp sao cho =. Vì vậy mV kế vẫn chỉ 0 V. Điện áp đo được trên mV kế là nhỏ nên ta phải khuyếch đại điện áp. - Khâu khuyếch đại điện áp phản hồi : Hình 4.20. Sơ đồ khuếch đại điện áp phản hồi U= -E.R/R. Chọn R= 1 k; R= 40 k; R= 1 k. 4.3. Sơ đồ nguyên lý một kênh điều khiển Hình 4.21. Sơ đồ nguyên lý một kênh điều khiển 4.4. Giản đồ điện áp một kênh Hình 4.22. Giản đồ điện áp một kênh điều khiển 4.5. Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển lò điện trở Hình 4.23. Sơ đồ mạch lực, mạch điều khiển lò điện trở. 4.6. Giản đồ điện áp ba pha Hình 4.24. Đồ thị điện áp pha A với = 45 Hình 4.25. Đồ thị điện áp pha A với = 75 Chương 5 Kết luận và đề xuất Trong quá trình làm đồ án chúng em đã thực hiện các công việc sau : Tìm hiểu các phần mềm mô phỏng mạch điện tử công suất (Matlab, PSPICE, TINA, PSIM). Sử dụng thành thạo phần mềm mô phỏng PSIM. Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của lò điện và lò điện trở. Giới thiệu phương pháp điều khiển lò điện trở bằng mạch điều áp xoay chiều ba pha. Thiết kế mạch lực và mạch điều khiển lò điện trở. Mô phỏng mạch điều khiển lò điện trở bằng phần mềm PSIM. Tuy nhiên, do thời gian có hạn nên chúng em chưa thể hoàn thành phần cứng của mạch điều khiển này và một số kết quả mô phỏng chỉ mang tính tương đối so với lý thuyết đã học. Vì vậy, sau khi hoàn thành đồ án này chúng em sẽ tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện đề tài này. Mục đích của chúng em là phát triển đề tài này ứng dụng vào giảng dạy và học tập, từ đó giúp sinh viên nắm bắt và hiểu rõ hơn trong việc mô phỏng mạch điện tử công suất. Tài liệu tham khảo [1] Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh Điện tử công suất, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2005. [2] Nguyễn Bính Điện tử công suất, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2001. [3] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh Điện tử công suất, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2002. [4] Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghị Phân tích và giải mạch điện tử công suất, NXB Khoa học và Kỹ thuật , 2002. [5] Vũ Quang Hồi, Nguyễn Văn Chất, Nguyễn Thị Liên Anh Trang bị điện - Điện tử : Máy công nghiệp dùng chung, NXB Giáo dục, 2007. MỤC LỤC